باتری خورشیدی چیست و چگونه کار میکند؟ مقاله2020 |هورایش

به نام خدا

باتری
بطور کلی صحبت از باتری برای سیستم‌خورشیدی زمانی مطرح است که قصد ذخیره‌سازی انرژی داشته باشیم؛ پس صحبت از باتری مختص به سیستم‌های Off Grid یا جدا از شبکه است. البته در کشورهای پیشرفته از باتری‌های با ظرفیت زیاد برای برخی مصارف On Grid (متصل به شبکه برق) هم استفاده می‌شود ولی از آنجایی که در کشور ما این مورد کاربرد ندارد از این بحث صرف‌نظر می‌کنیم.

درباره بهره‌گیری پنل‌ها از خورشید باید گفت در بهترین حالت با استفاده از Sun Tracker، تولید انرژی از طلوع تا غروب آفتاب خواهیم داشت. طبیعی است با استفاده از پنل‌های ثابت تولید انرژی به ساعات میانی روز محدود می‌شود و تولید در ساعات ابتدایی و انتهایی با بهره‌وری کمتری صورت می‌گیرد. پس در مواردی که نیاز به استفاده از انرژی در شب داریم، نیازمند ذخیره‌سازی این انرژی در روز هستیم. علاوه بر مصرف در شب، باتری‌ها برای مصارف در روز که نزدیک یا بیشتر از ظرفیت نامی پنل‌ها هستند (البته طراحی چنین سیستم‌هایی نیاز به دقت بالا دارد )، می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند.

نکته دیگری که باید در رابطه با باتری‌های موجود در سیستم خورشیدی به آن توجه کرد، هزینه و عمر این باتری‌هاست. بطور کلی برای یک سیستم آفگرید حدود 30 درصد از هزینه کلی صرف باتری خواهد شد. طول عمر باتری، همان‌طور که در ادامه توضیح داده خواهد شد، تابعی از نحوه استفاده شما از آن است که می‌تواند تا 4 سال (با توجه به نوع ) هم عمر کند، اما این طول عمر معمولا DOD (Depth of Discharge) یا عمق دشارژ غیر منطقی به ما می‌دهد، پس در یک سیستم معمولا باید آنرا برای 2 تا 3 سال طراحی کرد تا DOD منطقی تری داشته باشد.

بعد از این مقدمه کوتاه وقت آن رسیده که نگاهی به انواع باتری‌ها و منحنی‌های DOD آنها بیندازیم تا باتری‌های مناسب برای سیستم خورشیدی مشخص شوند.
پیش از شروع این بخش برای رعایت حق کپی باید گفت مطالب مربوط به انواع باتری‌ها از سایت‌های کالا آموز و برق‌نیوز گرفته شده‌اند.

انواع باتری‌ها
نمودار طبقه‌بندی زیر می‌تواند دید کلی راجع به انواع باتری‌ها بدهد. در مرحله اول دسته‌بندی، باتری‌ها را به دو دسته قابل شارژ و غیر قابل شارژ تقسیم می‌کنیم. از آنجاییکه باتری در طول عمر یک سیستم خورشیدی در طول روز شارژ و در شب دشارژ می‌شود، پس حداقل یکبار در روز فرآیند شارژ و دشارژ را باید برای یک باتری در نظر گرفت که این یعنی دسته سمت چپ باتری‌ها، یعنی باتری‌های غیر قابل شارژ از بحث ما کنار گذاشته می‌شوند.

در بین قابل شارژها Lead Acid بدلیل قیمت مناسب، بیشترین استفاده را دارد و بعد از آن Nickel Cadmium و انواع دیگر در موارد خاص مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. در بین زیرشاخه Lead Acid، باتری‌های خشک یعنی VRLA و SLA استفاده بیشتری دارند چراکه نیاز به تعمیر و نگهداری ندارند بر خلاف باتری تر FLA که با وجود داشتن قیمت مناسب تر به دلیل نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم چندان مورد اقبال نیست. باتری های سرب اسید (Lead Acid ) برای کاربردهای گوناگون طراحی می شوند. نمودار زیر انواع مختلف این نوع باتری را نشان می‌دهد.

در توضیح برخی از موارد پرمصرف بالا باید گفت ، باتری‌های Deep Cycle امکان استفاده از تمام ظرفیت نامی باتری بدون کاهش شدید از طول عمر آن را فراهم کرده است در صورتی که برای یک باتری معمولی خودرو استفاده از تمام ظرفیت باتری عمر آن را بسیار کاهش می‌دهد. باتری Electric Motor قابلیت تحمل جریان‌های راه‌اندازی زیاد موتورهای الکتریکی متداول را دارد در حالیکه چنین جریان‌هایی به باتری‌های دیگر آسیب می‌زند. HIGH RATE / UPS مخصوص سیستم‌های برق اضطراری است و با توجه به اینکه تعداد شارژ و دشارژ شدن آن کم است برای سیستم خورشیدی مناسب نیست.

درباره دو زیر شاخه باتری‌های سرب اسید یعنی AGM و Gel باید گفت مناسب‌ترین انتخاب برای سیستم‌های خورشیدی هستند. در رابطه با AGM باید توجه داشت که اشتباها نوع UPS آن خریداری نشود که از روی کاتالوگ قابل تمییز است. اما تفاوت Gel با AGM در تحمل دمایی بالای Gel و اینکه تعداد شارژ و دشارژ Gel بیشتر است. در دماهای پایین اما با توجه به اینکه با کاهش دما، افت ولتاژ افزایش پیدا می‌کند AGM بهتر است.

نمودارهای DOD
عمر باتری با میزان دشارژ شدن آن رابطه عکس دارد، یعنی هرچه باتری بیشتر دشارژ شود کمتر عمر خواهد کرد. این حقیقت فیزیکی معمولا تحت عنوان یک منحنی DOD توسط سازنده در اختیار مصرف کننده قرار می‌گیرد در ادامه چند نمودار از این دست را می‌‌آوریم:
نمودار زیر یک شکل ابتدایی در یکی از کتاب‌های مربوط به نیروگاه‌های خورشیدی است که در آن می‌توان مقایسه بین منحنی DOD سرب اسید Lead Acid (Pb) و نیکل کادمیم NiCd را مشاهده کرد.

تصویر بعدی متعلق به نمودارDOD باتری ژل Trojan است. البته این باتری در ایران موجود نیست و صرفا بعنوان یک مثال آورده شده است.

منحنی دشارژ باتری خورشیدی و تاثیر آن بر روی ولتاژ باتری بر اساس آمپراژ مختلف

اتصال باتری‌ها

بعنوان مطلب آخر نحوه اتصال تعدادی باتری به هم را مورد بررسی قرار می‌دهیم. باتری‌ها به دو صورت قابل اتصال به یکدیگر می‌باشند، سری یا موازی. در حالت سری باتری ها مطابق شکل زیر در کنار هم قرار می‌گیرند. در این حالت جریان عبوری از باتری‌ها با هم برابر می‌شوند ولی ولتاژهای آنها با هم جمع می شوند. از آنجاییکه اینورترهای آفگرید معمولا در ولتاژهای 12 و 24 ولت کار می‌کنند، نمی‌توان بیش از 2 باتری را سری کرد.

در حالت موازی مطابق شکل زیر، جریان‌ها با هم جمع می‌شوند و ولتاژها برابر می‌شوند

نحوه کار باتری خورشیدی

در انتها برای هر تعداد باتری می‌توان شکل مطابق زیر در نظرگرفت که ترکیبی از آرایش سری و موازی با توجه به ولتاژ و جریان مورد نیاز باشد.

نحوه کار باتری در سیستم خورشیدی

خلاصه

در ابتدای این نوشته جایگاه باتری در سیستم خورشیدی مشخص شد. بعد از آن دسته‌بندی باتری‌ها صورت گرفت و ویژگی هر کدام برشمرده شد تا مشخص شود نوع Lead Acid (اسید سرب ) برای کاربردهای خورشیدی مناسب‌تر است. از بین باتری‌های سرب اسید، باتری های تر یا FLA بدلیل نیاز به تعمیر و نگهداری مقبولیت کمتری دارند و درباره باتری‌های خشک سرب اسید از بین AGM و GEL باید با توجه به شرایط دمایی و بودجه یکی را انتخاب نمود. عمر باتری بستگی شدیدی به عمق دشارژ آن دارد که نمودار DOD باتری‌ها راهنمای مناسبی برای تعیین ظرفیت باتری‌هاست. در نهایت باتری‌ها را می‌توان به دو شکل سری و موازی بهم متصل کرد که در نهایت آرایش نهایی ترکیبی از این دو اتصال است.